Komponenterne i en varmepumpe: varmeveksler, kompressor og ekspansionsventil ikon

Komponenterne i en varmepumpe: varmeveksler, kompressor og ekspansionsventil

Indledning: Varmepumpens byggesten

En varmepumpe består af fire hovedkomponenter, der arbejder sammen i et lukket kredsløb:

  1. Fordamper (varmeveksler til optagelse af varme)
  2. Kompressor (hjertet i anlægget)
  3. Kondensator / kondensatorvarmeveksler (varmeveksler til afgivelse af varme)
  4. Ekspansionsventil (trykreduktion)

Dertil kommer kølemidlet, som cirkulerer gennem alle komponenter. I denne artikel ser vi nærmere på hver enkelt del.

Varmeveksleren: At afgive og optage varme

Uden varmevekslere ville moderne varme- og køleteknik stort set ikke være mulig. Varmeveksleren løser kerneopgaven med at optage og afgive varme.

Funktionsprincip

I en varmeveksler overføres varme mellem to medier, uden at medierne er i direkte kontakt med hinanden.

Vigtigt: Varme strømmer altid fra varmt til koldt – det er den anden hovedsætning i termodynamikken i praksis.

Varmeoverførslen sker primært via:

  • Konduktion: varmeledning gennem materialer
  • Konvektion: varmetransport med strømmende medier

Eksempler fra hverdagen

Vi møder varmevekslere i mange dagligdags apparater:

Apparat Varmeoptagelse Varmeafgivelse
Bilkøler Varmt kølevand Luft, der strømmer forbi
Køleskab Indvendig luft Bagside (kølegitter)
Varmepumpe Omgivelser (luft/jord) Varme til varmeanlægget

Typer af varmevekslere

Rørvarmeveksler

Opbygning:

  • Et rør med et cirkulerende medie
  • Et defineret rum omkring røret med et andet medie
  • Varme overføres gennem rørvæggen

Fordele:

Rørvarmevekslere er især attraktive på grund af deres enkelhed:

Fordel Forklaring
Enkel opbygning Få komponenter
Robust Tåler trykvariationer godt
Let at servicere Relativt nem at rengøre
Billig Enkel og billig produktion

Ulemper:

Den enkle konstruktion giver også nogle begrænsninger:

Ulempe Forklaring
Lavere effektivitet Mindre varmeoverførende areal
Større pladsbehov Kræver mere installationsplads

Pladevarmeveksler

Opbygning:

  • Flere plader med små mellemrum
  • Skiftevis varmt og koldt medie
  • Modstrømsføring for høj effektivitet

Fordele:

Den kompakte konstruktion giver væsentlige fordele:

Fordel Forklaring
Høj effektivitet Meget stort varmeoverførende areal
Kompakt Lille pladsbehov
Fleksibel Kapacitet kan øges med flere plader

Ulemper:

Den mere komplekse opbygning har også ulemper:

Ulempe Forklaring
Højere pris Mere avanceret produktion
Mere følsom for tryk Pakninger kan være sårbare
Sværere at rengøre Mange små kanaler

Anvendelse i varmepumper

I varmepumper anvendes forskellige typer varmevekslere afhængigt af placeringen i kredsløbet:

Placering Betegnelse Type varmeveksler
Indgang Fordamper Lamelfinnerør eller pladevarmeveksler
Udgang Kondensator Loddet pladevarmeveksler

Kompressoren: Hjertet i varmepumpen

Kompressoren er ansvarlig for at komprimere kølemidlet. Ved kompression stiger temperaturen til et niveau, der kan bruges til opvarmning.

Funktionsprincip

  1. Gasformigt kølemiddel suges ind fra fordamperen
  2. Kompressoren komprimerer gassen mekanisk
  3. Trykket stiger → temperaturen stiger
  4. Den varme gas ledes videre til kondensatoren

Kompressoren er den del, der faktisk "pumper" energien i varmepumpen.

Opbygning

En kompressor består typisk af:

  • Drivdel: som regel en elmotor
  • Kompressionsdel: f.eks. spiraler eller stempler

Typer af kompressorer

Scrollkompressor (standard i varmepumper)

Funktionsprincip:

  • To spiralformede elementer
  • Ét fast og ét bevægeligt
  • En excentrisk bevægelse komprimerer gassen

Fordele:

Scrollkompressorer er blevet standard i mange varmepumper:

Fordel Forklaring
Meget støjsvag Ingen slagvise bevægelser
Høj virkningsgrad Effektiv kompression
Lang levetid Få sliddele
Jævn drift Konstant volumenstrøm

Inverter-kompressor (moderne løsning)

Her kombineres en scrollkompressor med en frekvensomformer:

  • Motorens omdrejningstal kan varieres
  • Ydelsen tilpasses det aktuelle varmebehov
  • Undgår hyppige start/stop → mindre slid

Fordele:

Den variable hastighed giver flere fordele:

Fordel Forklaring
Energibesparende Leverer kun den nødvendige effekt
Støjsvag Færre startstrømme og startlyde
Lang levetid Mindre mekanisk belastning
Præcis regulering Stabil fremløbstemperatur

Andre kompressortyper

Ud over de nævnte findes der andre kompressortyper til særlige anvendelser:

Type Anvendelse
Stempelkompressor Store køleanlæg og industri
Rullekompressor Mindre klimaanlæg
Turbokompressor Store industrielle køle- og procesanlæg

Ekspansionsventilen: Modspilleren til kompressoren

Ekspansionsventilen er kompressorens modspiller. Den regulerer tilbageførsel og trykfald for kølemidlet fra kondensatoren til fordamperen.

Funktionsprincip

Efter varmeafgivelsen i kondensatoren har kølemidlet stadig:

  • Højt tryk
  • Forhøjet temperatur

Ekspansionsventilen:

  1. Reducerer trykket ved kontrolleret strupning
  2. Dermed falder temperaturen
  3. Kølemidlet er klar til næste cyklus i fordamperen

Typer af ventiler

Uregulerede ekspansionsventiler

  • Enkel konstruktion
  • Fast åbning
  • Bruges i simple systemer (f.eks. små køleskabe)

Regulerede ekspansionsventiler

  • Tilpasser gennemstrømningen automatisk
  • Reagerer på temperatur og tryk
  • Standard i moderne varmepumper

Med regulering kan varmeeffekten styres mere præcist, og varmepumpen kan tilpasses danske driftsforhold, fx lavere fremløbstemperaturer i gulvvarmesystemer.

Kølemidlet: Den særlige væske

Uden kølemidlets særlige egenskaber ville varmepumper ikke fungere.

Hvad gør et kølemiddel særligt?

Kølemidler har fysiske egenskaber, der gør dem særligt velegnede til varmepumpedrift:

Egenskab Betydning
Lavt kogepunkt Fordamper ved lave temperaturer (f.eks. udeluft)
Høj varmekapacitet Kan optage meget varmeenergi
Effektiv faseændring Skifter let mellem væske og gas

Kølemiddel vs. kølevæske

Bemærk: Begreberne forveksles ofte, men der er klare forskelle:

Kølemiddel Kølevæske
Aggregattilstand Skifter (væske ↔ gas) Forbliver typisk flydende
Varmeoverførsel Via faseændring Via gennemstrømning
Anvendelse Varmepumper, klimaanlæg Motorkøling, fjernvarme

Anvendte kølemidler

Naturlige kølemidler

Naturlige kølemidler er generelt mere miljøvenlige, men har hver især særlige fordele og udfordringer:

Betegnelse Egenskaber
Propan (R290) Meget lavt GWP, let brandbart – udbredt i nye luft/vand-varmepumper i Danmark
CO₂ (R744) Ikke brandbart, meget højt tryk – bruges bl.a. i brugsvandsvarmepumper og butikskøling
Ammoniak (R717) Meget effektivt, men giftigt – primært til store industrielle anlæg

Syntetiske kølemidler

Syntetiske kølemidler udfases gradvist i EU og Danmark til fordel for mere klimavenlige alternativer:

Betegnelse Status
R410A Stadig i drift i mange ældre anlæg, men udfases i nye installationer pga. højt GWP
R32 Udbredt i nyere varmepumper, lavere GWP end R410A
R1234yf Meget lavt GWP, betragtes som en vigtig fremtidsteknologi

Forbudte og udfasede kølemidler

Af hensyn til klima og miljø er følgende stoffer forbudt eller under udfasning i EU og Danmark:

  • CFC (FCKW) (f.eks. R11) – nedbryder ozonlaget
  • HCFC (HFCKW) (f.eks. R22) – både ozon- og klimaskadelige
  • Løbende skærpelse for HFC (HFKW) med højt GWP gennem EU’s F-gas-forordning

GWP (Global Warming Potential): Mål for et stofs drivhuseffekt sammenlignet med CO₂.

Samspillet mellem alle komponenter

        Fordamper (ude)
              │
              │ Gas (kold)
              ↓
        Kompressor ←── El
              │
              │ Gas (varm, højt tryk)
              ↓
        Kondensator (inde)
              │
              │ Væske (varm)
              ↓
        Ekspansionsventil
              │
              │ Væske (kold, lavt tryk)
              ↓
        Tilbage til fordamper

Energiflowet

  1. Omgivelsesvarme (gratis) → optages i fordamperen
  2. Elektrisk energi → driver kompressoren
  3. Nyttig varme → afgives til varmeanlægget

Det særlige ved varmepumper er, at man typisk får 3–5 kWh varme ud for hver 1 kWh el, der tilføres – afhængigt af anlægstype, fremløbstemperatur og danske udetemperaturer.

Konklusion

Kort fortalt: Hver komponent i varmepumpen har sin egen, præcise opgave. Fordamperen optager varme fra omgivelserne, kompressoren hæver temperaturen, kondensatoren afgiver varmen til varmeanlægget, og ekspansionsventilen sænker igen tryk og temperatur. Kølemidlet transporterer varmen mellem komponenterne. Kun når alle dele spiller korrekt sammen, opnås en effektiv og driftssikker varmepumpe – også under danske klimaforhold.

Næste skridt: Nøgletal og dimensionering af varmepumper

Den komplette artikelserie om varmepumper

  1. Anti-køleskabet: Hvordan fungerer en varmepumpe? – Grundlæggende principper
  2. Komponenterne i en varmepumpe: varmeveksler, kompressor og ekspansionsventil – Du er her
  3. Nøgletal og dimensionering af varmepumper – COP, årsvirkningsgrad og mere
  4. Driftsformer: monovalent, bivalent og hybrid – Forskellige driftsstrategier
  5. Typer af varmepumper og samspil med solceller – Luft-vand, væske-vand & sol

Kilder